EP1006262B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Laufschaufel innerhalb einer Wärmekraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Laufschaufel innerhalb einer Wärmekraftmaschine Download PDF

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EP1006262B1
EP1006262B1 EP19980811183 EP98811183A EP1006262B1 EP 1006262 B1 EP1006262 B1 EP 1006262B1 EP 19980811183 EP19980811183 EP 19980811183 EP 98811183 A EP98811183 A EP 98811183A EP 1006262 B1 EP1006262 B1 EP 1006262B1
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EP
European Patent Office
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blade
orifice
inlet
rotation
outlet
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EP19980811183
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EP1006262A1 (de
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Jakob Prof. Dr. Keller
Joachim Dr. Krautzig
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GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/205—Cooling fluid recirculation, i.e. after cooling one or more components is the cooling fluid recovered and used elsewhere for other purposes

Definitions

  • the invention relates to a device and method for cooling a rotor blade within a heat engine, preferably a gas turbine, according to the preamble of claim 1.
  • the rotor blades arranged in the front rotor blade rows in the flow direction can be effectively and directly acted upon directly by cooling air which branches off from the last compressor stage of the gas turbine system becomes.
  • This makes it possible to effectively cool the rotor blades arranged in the front rotor blade rows, but the cooling effect for the rotor blade rows behind decreases rapidly until the cooling effect becomes ineffective, since the cooling medium is thermally consumed on the way to the rotor blade rows located further back.
  • a known cooling arrangement of the individual rows of blades in the area of the blade roots of the blades arranged one behind the other provides cooling channels which penetrate the individual blade feet axially to the axis of rotation. Cooling air of this type drives cooling air in a manner known per se from the foremost rotor blade row in the direction of the downstream rotor blade rows, by means of which the rotor blade feet are cooled.
  • the cooling passages penetrating the rotor blade feet within a blade root each have a cross section with increased volume compared to the transition cross sections via which the cooling channel is connected to two adjacent rotor blade feet. This allows the cooling performance to be optimized.
  • this cooling system which is known per se, has the disadvantage, on the one hand, that a considerable proportion of the air pre-compressed by the compressor stage has to be branched off for cooling purposes, which in turn cannot be fed to the combustion process, which reduces the efficiency, and on the other hand is experienced Cooling air on the way through the cooling path a significant heating, which leads to the fact that the cooling effect is greatly reduced, at least in the area of the last row of blades.
  • the invention has for its object a device and a method for cooling a blade within a heat engine, preferably a gas turbine, according to the preamble of claim 1 and in particular for cooling blades, which are preferably arranged in the last blade row in a turbine part, such indicate that in addition to the known cooling systems, cooling measures are to be taken which are able to effectively cool the blade within the last row of blades.
  • the measures to be taken in particular should not require any great technical design effort and, moreover, should be able to be added subsequently to rows of moving blades that are already in use.
  • the measures should not require cooling air, which has to be branched off from the compressor stage for operating the gas turbine system, so that the overall efficiency of the gas turbine system should remain unaffected.
  • a device for cooling a rotor blade within a heat engine preferably a gas turbine, with a blade root which is connected to a rotor shaft and rotates about an axis of rotation, is developed in such a way that in the region of the blade root a hollow channel penetrating the blade root with an inlet and an outlet opening is provided, the inlet and outlet openings of which are at different distances from the axis of rotation and are arranged on the same side of the blade root.
  • the device according to the invention which is restricted to a targeted introduction of a hollow channel into the blade root of the rotor blades in the last row of the turbine part, uses the cooling air which is located on the rear side of the turbine part.
  • the cooling air in this area typically points Temperatures below 200 ° C and surrounds the back of the last turbine blade row under normal pressure conditions of about 1 bar.
  • a hollow channel is particularly preferred, the course of which is U-shaped within the blade root, both U-legs running largely parallel to the axis of rotation and the intermediate web of the U-shaped section running radially to the axis of rotation.
  • the cooling air located in the radially extending intermediate web is compressed due to the rotational movement in the way of the centrifugal force acting on the cooling air, so that the cooling air is literally pumped through the U-shaped hollow channel inside the blade root.
  • hollow channels in the above-described form can also be introduced retrospectively in the case of rotor blades that are already in operation. It is therefore possible to effectively cool the poorly cooled blades in the rear row of a turbine unit without major additional technical design effort, so that these blades can also withstand a higher temperature level.
  • corresponding surface elements are attached to the inlet and outlet openings, through which A targeted introduction of air into the inlet opening and an undisturbed air outlet through the outlet opening is guaranteed.
  • Such surface elements are preferably to be provided laterally in the direction of rotation on the blade root immediately in front of the outlet opening and in the direction of rotation immediately after the outlet opening.
  • the method according to the invention for cooling the rotor blades described above is based on the targeted use of the compression effect which is formed in the interior of the rotor blade root by means of the rotations of the centrifugal force thereby generated, which acts on the cooling air located in the hollow duct.
  • FIG. 1 a and b show a highly schematic partial cross section through the lower region of a moving blade 1.
  • the blade shaft 2 Immediately below the blade 1 is the blade shaft 2, in which a cooling channel system 3 is incorporated in a manner known per se, through which the main cooling air is at a temperature is driven from 410 ° C.
  • the main cooling air originates on the turbine inlet side from the pre-compressor stage and heats up considerably on the way through the series-connected blade roots, which means that the cooling capacity is lowest within the last row of blades.
  • the blade root 4 is adjacent, in which, according to the invention, a hollow channel 5 is incorporated.
  • the blade root 4 opens directly into the rotor 6, which rotates about an axis of rotation 7.
  • the rotor blade shown in FIGS. 1a and b is arranged in the last rotor blade row of the turbine unit and with its rear side 8 is opposite the outlet ambient air of the turbine unit, which in the case shown has 170 ° C.
  • the hollow channel 5, which is U-shaped in FIG. It is essential that one of the two openings is at a greater distance from the axis of rotation 7 than the other. Due to the rotation of the rotor blade 1 about the axis of rotation 7, centrifugal forces arise within the hollow channel 5, which are able to compress the cooling air primarily in the radially extending intermediate web 11 of the U-shaped hollow channel 5 and thereby generate a flow of the cooling air within the hollow channel 5. As a result, the cooling air flows out of the outlet opening 10 and through the inlet opening 9 into the interior of the hollow channel 5.
  • FIG. 1b shows the same rotor blade arrangement as in FIG. 1a, only a further alternative embodiment of the hollow channel 5 is shown, which in this case is V-shaped, which also has a compressive effect on the cooling air located in the hollow duct 5.
  • FIGS. 2a and b a cross-sectional representation and a side representation are shown in FIGS. 2a and b of a blade root designed according to the invention.
  • surface elements 12, 13 are attached directly next to the inlet and outlet openings 9, 10.
  • Fig. 2a the direction of rotation of the blade root 4 is shown about an imaginary axis of rotation with the arrow.
  • the surface element 12 is arranged immediately downstream of the inlet opening 9.
  • a surface element 13 is attached in the flow direction immediately in front of the outlet opening 10. In this way, the cooling air flow through the hollow duct 5 can be optimized.
  • the through-channel 14 entered in FIG. 2a represents a conventional cooling measure, as described in the previous part.
  • FIG. 2b shows a side view of the lower part of the blade root, in which the V-shaped hollow channel 5 is entered.
  • the blade root 4 has, in a manner known per se, a fir tree structure which offers an exact hold within the rotor.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie Verfahren zur Kühlung einer Laufschaufel innerhalb einer Wärmekraftmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Beim Betrieb von Gasturbinenanlagen wird ein besonderes Augenmerk auf die Kühlung von thermisch stark belasteten Anlagenkomponenten gelegt, da durch Maßnahmen zur Optimierung der thermischen Belastbarkeit derartiger Komponenten der Wirkungsgrad der gesamten Gasturbinenanlage erheblich gesteigert werden kann. Neben den unmittelbar mit der Brennkammer verbundenen Gehäuseteilen sind insbesondere die mit den Heißgasen direkt beaufschlagten Turbiuenschaufeln innerhalb des Turbinenteils sehr stark thermisch belastet, so daß insbesondere die Turbinenlaufschaufeln, die hintereinander in Laufschaufelreihen angeordnet sind, mit geeigneten Kühlmaßnahmen zu kühlen sind.
  • Beispielsweise können die in den in Strömungsrichtung vorderen Laufschaufelreihen angeordneten Laufschaufeln unmittelbar mit Kühlluft gezielt wirkungsvoll beaufschlagt werden, die von der letzten Verdichterstufe der Gasturbinenanlage abgezweigt wird. Hierdurch ist es zwar möglich, die in den vorderen Laufschaufelreihen angeordneten Laufschaufeln effektiv zu kühlen, doch nimmt die Kühlwirkung für die dahinterliegenden Laufschaufelreihen rasch bis zur Wirkungslosigkeit der Kühlwirkung ab, da das Kühlmedium auf dem Weg zu den weiter hinten liegenden Laufschaufelreihen thermisch verbraucht wird.
  • Für die in aller Regel aus drei bis fünf hintereinander angeordneten Laufschaufelreihen bestehenden Turbineneinheiten gilt es insbesondere, eine Kühleinrichtung zu schaffen, die die vorletzte und letzte Turbinenlaufschaufelreihe zu kühlen vermag.
  • Eine bekannte Kühlvorkehrung der einzelnen Laufschaufelreihen im Bereich der Laufschaufelfüße der hintereinander angeordneten Laufschaufeln sieht Kühlkanäle vor, die axial zur Rotationsachse die einzelnen Laufschaufelfüße durchsetzen. Durch derartige Kühlkanäle wird in an sich bekannter Weise Kühlluft von der vordersten Laufschaufelreihe in Richtung der nachgeordneten Laufschaufelreihen getrieben, durch die die Laufschaufelfüße gekühlt werden.
  • Dabei weisen die die Laufschaufelfüße durchsetzenden Kühlkanäle innerhalb eines Schaufelfußes jeweils einen Querschnitt mit vergrößertem Volumen auf gegenüber den Übergangsquerschnitten, über die der Kühlkanal mit zwei benachbarten Laufschaufelfüssen verbunden ist. Hierdurch kann die Kühlleistung optimiert werden.
  • Dieses an sich bekannte Kühlsystem weist jedoch zum einen den Nachteil auf, daß hierzu ein erheblicher Anteil der durch die Verdichterstufe vorverdichtete Luft zu Kühlzwecken abgezweigt werden muß, die ihrerseits wiederum nicht dem Verbrennungsprozeß zugeführt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad vermindert wird, zum anderen erfährt die Kühlluft auf dem Weg durch den Kühlpfad eine deutliche Erwärmung, die dazu führt, daß die Kühlwirkung zumindest im Bereich der letzten Laufschaufelreihe stark reduziert ist.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Kühlung einer Laufschaufel innerhalb einer Wärmekraftmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere zur Kühlung von Laufschaufeln, die vorzugsweise in der letzten Laufschaufelreihe in einem Turbinenteil angeordnet sind, derart anzugeben, daß zusätzlich zu den bekannten Kühlsystemen Kühlmaßnahmen getroffen werden sollen, die die Laufschaufel innerhalb der letzten Laufschaufelreihe effektiv zu kühlen vermögen. Die zu treffenden Maßnahmen sollen insbesondere keinen großen technischen Konstruktionsaufwand erfordern und überdies nachträglich an bereits im Einsatz befindliche Laufschaufelreihen hinzugefügt werden können. Schließlich sollen die Maßmahmen keine Kühlluft erfordern, die von der Verdichterstufe zum Betrieb der Gasturbinenanlage abgezweigt werden muß, so daß der Gesamtwirkungsgrad der Gasturbinenanlage unbeeinflußt bleiben soll.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1, in einer Gasturbine gemäss Anspruch 7sowie in Anspruch 8 angegeben. Den erfindungsgemäßen Gedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Kühlung einer Laufschaufel innerhalb einer Wärmekraftmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine, mit einem Schaufelfuß, der mit einer Rotorwelle verbunden ist und um eine Rotationsachse rotiert, derart weitergebildet, daß im Bereich des Schaufelfusses ein, den Schaufelfuß durchsetzender Hohlkanal mit einer Ein- und einer Auslaßöffnung vorgesehen ist, dessen Ein- und Auslaßöffnung unterschiedliche Abstände zur Rotationsachse aufweisen und auf der gleichen Seite des Schaufelfusses angeordnet sind.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die sich auf ein gezieltes Einbringen eines Hohlkanals in den Schaufelfuß der Laufschaufeln in der letzten Reihe des Turbinenteils beschränkt, bedient sich der Kühlluft, die sich an der Rückseite des Turbinenteils befindet. Die in diesem Bereich befindliche Kühlluft weist typischerweise Temperaturen von unter 200°C auf und umgibt die Rückseite der letzten Turbinenlaufschaufelreihe unter normalen Druckbedingungen von etwa 1 bar.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des im Inneren des Schaufelfusses verlaufenden Hohlkanals, der durch die unterschiedlich beabstandete Anordnung von Einlaß- und Auslaßöffnung relativ zur Rotationsachse eine zumindest teilweise radiale Erstreckung aufweist, übt aufgrund der Rotation auf die im Hohlkanal befindliche Kühlluft eine Zentrifugalkraft aus, die zu einer Kompression führt, so daß Kühlluft durch die Auslaßöffnung, die einen größeren Abstand zur Rotationsachse aufweist, als die Einlaßöffnung, hindurchgetrieben wird. Aufgrund der sich innerhalb des Hohlkanals ausbildenden Kompressionswirkung wird eine Kühlluftströmung innerhalb des Hohlkanals generiert, durch die der Schaufelfuß von der auf der Rückseite des Schaufelfusses angrenzenden Kühlluft effektiv gekühlt wird.
  • Besonders bevorzugt ist ein Hohlkanal, dessen Verlauf innerhalb des Schaufelfusses U-förmig ausgebildet ist, wobei beide U-Schenkel weitgehend parallel zur Rotationsachse verlaufen und der Zwischensteg des U-förmigen Abschnittes radial zur Rotationsachse verläuft. Die in dem radial verlaufenden Zwischensteg befindliche Kühlluft wird aufgrund der Drehbewegung im Wege der auf die Kühlluft einwirkende Zentrifugalkraft komprimiert, so daß die Kühlluft unentwegt durch den U-förmig ausgebildeten Hohlkanal innerhalb des Schaufelfusses regelrecht gepumpt wird.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme können auch nachträglich bei bereits in Betrieb befindlichen Laufschaufeln Hohlkanäle in der vorbeschriebenen Form eingebracht werden. Somit ist es möglich, ohne großen konstruktiven technischen Zusatzaufwand die nur sehr schlecht gekühlten Laufschaufeln in hinterster Reihe einer Turbineneinheit effektiv zu kühlen, so daß auch diese Laufschaufel einem höheren Temperaturniveau widerstehen können.
  • Um die Kühlleistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu steigern, sind an den Ein- und Auslaßöffnungen entsprechende Flächenelemente angebracht, durch die eine gezielte Lufteinschleusung in die Einlaßöffnung sowie ein ungestörter Luftaustritt durch die Auslaßöffnung gewährleistet ist. Derartige Flächenelemente sind vorzugsweise in Rotationsrichtung seitlich an den Schaufelfuß unmittelbar vor der Auslaßöffnung sowie in Rotationsrichtung unmittelbar nach der Auslaßöffnung vorzusehen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung der vorstehend beschriebenen Laufschaufeln basiert auf der gezielten Nutzung der Kompressionswirkung, die sich im Inneren des Laufschaufelfusses im Wege der Rotationen der dadurch entstehenden Zentrifugalkraft, die auf die im Hohlkanal befindliche Kühlluft einwirkt, ausbildet.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:
    • Fig. 1 a, b
    schematisierte Querschnittsdarstellungen durch einen Teil eines Schaufelfusses einer Laufschaufel, sowie
    Fig. 2a, b
    Querschnitts- und Seitenansichtsdarstellung eines erfindungs-gemäß ausgebildeten Schaufelfusses.
    Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • In den Fig. 1a und b ist ein stark schematisierter Teilquerschnitt durch den unteren Bereich einer Laufschaufel 1 dargestellt. Unmittelbar unterhalb der Laufschaufel 1 grenzt der Laufschaufelschaft 2 an, in dem in an sich bekannter Weise ein Kühlkanalsystem 3 eingearbeitet ist, durch das die Hauptkühlluft mit etwa einer Temperatur von 410°C getrieben wird. Die Hauptkühlluft entstammt turbineneingangsseitig aus der Vorverdichterstufe und erwärmt sich auf dem Wege durch die hintereinander geschalteten Laufschaufelfüsse erheblich, wodurch die Kühlleistung innerhalb der letzten Laufschaufelreihe am geringsten ist. Unmittelbar unterhalb des Laufschaufelschaftes 2 grenzt der Laufschaufelfuß 4 an, in dem erfindungsgemäß ein Hohlkanal 5 eingearbeitet ist. Der Laufschaufelfuß 4 mündet unmittelbar in den Rotor 6, der um eine Drehachse 7 rotiert.
  • Die in Fig. 1a und b dargestellte Laufschaufel ist in der letzten Laufschaufelreihe der Turbineneinheit angeordnet und steht mit ihrer Rückseite 8 der Austrittsumgebungsluft der Turbineneinheit, die im dargestellten Fall 170°C aufweist, gegenüber.
  • Der in Fig. 1a U-förmig ausgebildete Hohlkanal 5 weist eine Ein- 9 und Auslaßöffnung 10 auf, die jeweils an der Rückseite 8 der Laufschaufel 1 angebracht sind. Wesentlich ist, daß eine der beiden Öffnungen einen größeren Abstand zur Rotationsachse 7 aufweist als die andere. Aufgrund der Rotation der Laufschaufel 1 um die Rotationsachse 7 entstehen innerhalb des Hohlkanals 5 Zentrifugalkräfte, die die Kühlluft vornehmlich im radial verlaufenden Zwischensteg 11 des U-förmig ausgebildeten Hohlkanals 5 zu komprimieren vermag und hierdurch eine Strömung der Kühlluft innerhalb des Hohlkanals 5 generiert. Hierdurch strömt die Kühlluft aus der Auslaßöffnung 10 aus und durch die Einlaßöffnung 9 in das Innere des Hohlkanals 5 ein.
  • Durch diese sich im Wege der Kompressionswirkung im Inneren des Hohlkanals 5 ausbildende Strömung wird eine effektive Kühlung des Schaufelfusses 4 erzielt, zumal die in den Hohlkanal 5 eintretende Kühlluft auf einem erheblich niedrigeren Temperaturniveau ist, als der Bereich der Laufschaufel 1.
  • In Fig. 1b ist die gleiche Laufschaufelanordnung dargestellt, wie gemäß Fig. 1a, lediglich ist eine weitere alternative Ausführungsform des Hohlkanals 5 gezeigt, der in diesem Fall V-förmig ausgebildet ist, wodurch ebenfalls eine Kompressiouswirkung auf die im Hohlkanal 5 befindliche Kühlluft bewirkt wird.
  • Versuche haben den Erfolg des erfindungsgemäßen Kühlkanalsystems bestätigt. So konnte gezeigt werden, daß mit einem Durchmesser des Hohlkanals 5 von etwa 7 mm und einer Länge von etwa 250 mm die Kühlwirkung des erfindungsgemäßen Kühlsystems bei Strömungsgeschwindigkeiten durch den Hohlkanal 5 von > 30 m pro Sekunde jegliche die Kühlwirkung herkömmlicher Kühlmaßnahmen zu übertreffen vermag.
  • Die Kühlwirkung durch den erfindungsgemäßen Hohlkanal 5 innerhalb des Schaufelfusses 4 verbessert sich weitgehend linear mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums respektive der Kühlluft durch den Hohlkanal 5. Um die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Hohlkanals 5 zu verbessern, sind in Fig. 2a und b eine Querschnittsdarstellung sowie eine Seitendarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Laufschaufelfusses dargestellt. Hierbei sind Flächenelemente 12, 13 unmittelbar neben der Einlaß- und Auslaßöffnung 9, 10 angebracht.
  • In Fig. 2a ist die Rotationsrichtung des Laufschaufelfusses 4 um eine gedachte Rotationsachse mit dem eingetragenen Pfeil dargestellt. Für eine optimierte Einschleusung von Kühlluft durch die Einlaßöffnung 9 ist das Flächenelement 12 in Rotationsrichtung der Einlaßöffnung 9 unmittelbar nachgeordnet. Um den Austritt der Kühlluft aus dem Hohlkanal 5 durch die Auslaßöffnung 10 weitgehend ohne großen Strömungswiderstand zu gewährleisten, ist ein Flächenelement 13 in Strömungsrichtung unmittelbar vor der Auslaßöffnung 10 angebracht. Auf diese Weise kann die Kühlluftströmung durch den Hohlkanal 5 optimiert werden.
  • Der in Fig. 2a eingetragene Durchgangskanal 14 stellt eine konventionelle Kühlmaßnahme dar, wie sie im vorstehenden Teil beschrieben ist.
  • In Fig. 2b ist eine Seitendarstellung des unteren Teil des Laufschaufelfusses dargestellt, in dem der V-förmig ausgebildete Hohlkanal 5 eingetragen ist. Der Laufschaufelfuß 4 weist in an sich bekannter Weise eine Tannenbaumstruktur auf, die einen exakten Halt innerhalb des Rotors bietet.
  • Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlsystems sind:
    • Keine Modifikationen am Rotor selbst.
    • Das Kühlsystem kann ohne großen technischen Aufwand bei bereits im Einsatz befindlichen Laufschaufeln nachgerüstet werden.
    • Mit dem Kühlsystem sind keine thermodynamischen Nachteile verbunden, zumal die Kühlluft einen niedrigen Druck aufweist.
    • Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem sind keine bzw. vernachlässigbare energetischen Einbußen verbunden, die den Wirkungsgrad der gesamten Gasturbinenanlage nachträglich zu beeinflussen vermögen.
    Bezugszeichenliste
    • 1
    Laufschaufel
    2
    Laufschaufelschaft
    3
    Kühlkanalsystem
    4
    Laufschaufelfuß
    5
    Hohlkanal
    6
    Rotor
    7
    Rotationsachse
    8
    Rückseite der Laufschaufel 1
    9
    Einlaßöffnung
    10
    Auslaßöffnung
    11
    radial verlaufender Abschnitt des Hohkanals 5
    12, 13
    Flächenelement
    14
    konventioneller Kühlkanal

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Kühlung einer Laufschaufel innerhalb einer Wärmekraftmaschine mit einem Schaufelfuss (4), der mit einer Rotorwelle (6) verbunden ist und um eine Rotationsachse (7) rotiert,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Bereich des Schaufelfusses (4) ein den Schaufelfuss (4) durchsetzender Hohlkanal (5) mit einer Ein- (9) und einer Auslassöffnung (10) vorgesehen ist, dessen Ein- (9) und Auslassöffnung (10) unterschiedliche Abstände zur Rotationsachse (7) aufweisen, wobei beide Öffnungen auf einer gleichen Stirnseite des Schaufelfusses (4) angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Stirnseite des Schaufelfusses (4), an der die Ein- (9) und Auslassöffnung (10) vorgesehen sind, an einem Ende des Rotors (6) angebracht ist, an dem die Ein- (9) und Auslassöffnung (10) mit kühler Umgebungsluft versorgbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Stirnseite des Schaufelfusses (4), an der die Ein- (9) und Auslassöffnung (10) vorgesehen sind, an einem Ende des Rotors (6) angebracht ist, an dem die Ein- (9) und Auslassöffnung (10) mit kühler Umgebungsluft, die unter Normaldruckbedingungen von ca. 1 bar steht, versorgbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Hohlkanal (5) zwei Kanalabschnitte aufweist, die parallel oder schräg zur Rotationsachse verlaufen und über einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    seitlich an der Ein- (9) und Auslassöffnung (10) am Schaufelfuss (4) Flächenelemente (12, 13) angebracht sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in Rotationsrichtung unmittelbar vor der Auslassöffnung (10) sowie in Rotationsrichtung unmittelbar nach der Einlassöffnung (9) jeweils ein Flächenelement (12, 13) angebracht ist.
  7. Gasturbine mit einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für die Laufschaufeln einer in Strömungsrichtung zuletzt angeordneten Laufschaufelreihe, wobei die stromabgewandte Stirnseite der Laufschaufeln mit Kühlluft zumindest im Bereich der Schaufelfüsse umspült wird, die unter Normaldruckbedingungen steht.
  8. Verfahren zur Kühlung einer Laufschaufel innerhalb einer Wärmekraftmaschine mit einem Schaufelfuss (4), der mit einer Rotorwelle (6) verbunden ist und um eine Rotationsachse (7) rotiert,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    innerhalb eines Hohlkanals (5), der den Schaufelfuss (4) der Laufschaufel durchsetzt und zumindest teilweise eine radiale Erstreckung relativ zur Rotationsachse (7) aufweist und in den über eine Einlassöffnung (9) Kühlluft einbringbar ist, die Kühlluft mittels der durch die Rotation erzeugte Zentrifugalkraft innerhalb des Hohlkanals (5) komprimiert wird, die über eine Auslassöffnung (10), die einen grösseren Abstand zur Rotationsachse (7) aufweist als die Einiassöffnung (9), wobei Einlass- und Auslassöffnung (9, 10) an einer gleichen Stirnseite des Schaufelfusses (4) angeordnet sind, aus dem Schaufelfuss entweicht.
EP19980811183 1998-11-30 1998-11-30 Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung einer Laufschaufel innerhalb einer Wärmekraftmaschine Expired - Lifetime EP1006262B1 (de)

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